Fisica 12 Estevao Manuel Joao Longman Moz

Ondas transversais são aquelas em que a direção da perturbação é perpendicular à direção da propagação (figura 2). Quando a direção da perturbação coincide com a direção da propagação, a onda diz-se longitudinal (figura 3). Caraterísticas de uma onda\n\nAs caraterísticas de uma onda, seja mecânica ou eletromagnética, são:\n• a amplitude;\n• o comprimento;\n• o período;\n• a frequência;\n• a velocidade de propagação.\n\nA amplitude (A) de uma onda é o valor máximo atingido pela perturbação numa crista ou num ventre de onda durante a sua propagação. O comprimento de onda (λ) é a distância entre dois pontos consecutivos que oscilam na mesma fase. Ondas eletromagnéticas. Radiação do corpo negro\n\nNo final desta unidade, deverás ser capaz de:\n• explicar a diferença entre ondas mecânicas e eletromagnéticas;\n• explicar fenómenos da Natureza com base nas propriedades gerais e específicas das ondas eletromagnéticas;\n• explicar fenómenos da Natureza com base nas formas de transmissão de calor;\n• aplicar o princípio fundamental da calorimetria na resolução de exercícios concretos;\n• interpretar os gráficos da emissividade em função da frequência e do comprimento de onda. Existe uma relação entre a frequência e o período. O período é o inverso da frequência e vice-versa:\nT = 1 / f\nA unidade de período é a mesma que a unidade de tempo, isto é, o segundo (s).\nA velocidade de propagação da onda é o produto entre o comprimento de onda e a sua frequência.\nv = λ · f\nEsta característica, a velocidade, é a mais importante e é finita. A unidade de velocidade no Sistema Internacional de Unidades chama-se metro por segundo (m/s). A velocidade de propagação de uma determinada onda depende do meio material onde se move. Por exemplo, a tabela a direita apresenta os valores de velocidade de propagação do som em alguns meios. Repare-se que a velocidade de propagação do som é maior na água do que na o ar ou no hidrogênio.\n\n1.3 Diferença entre ondas mecânicas e electromagnéticas\nAs ondas mecânicas diferem das ondas electromagnéticas quanto a sua origem e quanto aos meios de propagação. As ondas mecânicas são originadas por oscilações mecânicas enquanto as ondas electromagnéticas são produzidas por oscilações elétricas e magnéticas. As oscilações elétricas e magnéticas podem ocorrer em um campo magnético variável e, portanto, quando há oscilações de um campo elétrico rotacional, a propagação dessas ondas depende do tempo, dos campos elétrico e magnético.\nAs ondas mecânicas precisam de um meio material para se propagarem, enquanto as ondas electromagnéticas se propagam tanto nos meios materiais como no vácuo.\n\n1.4 Ondas mecânicas\nOnda mecânica é a propagação das oscilações através de um meio material (seja sólido, líquido ou gás). Exemplos: as ondas que se propagam numa mola, as ondas que se propagam na água, as ondas sonoras que se propagam através do ar (som) e de outros meios materiais.\n\n1.5 Ondas electromagnéticas\nOnda electromagnética é a propagação, em qualquer meio, da variação dos campos elétrico e magnético. Exemplos: a luz, as ondas de rádio, etc.\nA existência de ondas electromagnéticas foi, primeiramente, prevista por James Clerk Maxwell tendo revelado sua natureza. Mais tarde foram confirmadas graças aos notáveis trabalhos de Heinrich Hertz. Maxwell mostrou que a emissão de uma onda electromagnética era devida às oscilações elétricas de uma carga que criava um campo elétrico rotacional variante responsável pela origem de um campo magnético rotacional também variável da mesma frequência que o do campo elétrico. As ondas electromagnéticas são ondas transversais. A velocidade de propagação das ondas electromagnéticas não é mesma em diferentes meios. Ela depende das propriedades elétricas e magnéticas do meio onde se propagam. É por isso que escrevemos a dependência da velocidade das propriedades elétricas e magnéticas do meio de modo:\nv = 1 / √(ε · μ)\nOnde v é a velocidade; μ é a permeabilidade magnética do meio e ε é a constante dieletrica do meio. Substituindo os iguais na expressão (1) teremos o seguinte resultado:\nv = 1 / √(μ · ε) (2)\nEm (2), repare-se que, para o caso em que as ondas se propagam no vácuo, os valores da permeabilidade magnética μ e da constante dieletrica ε tornam-se iguais à unidade. Desta forma, escrevemos a expressão da velocidade das ondas electromagnéticas que se propagam no vácuo através da relação:\nv = 1 / √(μ0 · ε0) (3)\nOnde ε é a velocidade da luz no vácuo. Os valores de μ0 e ε0, no vácuo são respectivamente:\nμ0 = 4π · 10^-7 H · m^-1 e ε0 = 10^-12 C²/N·m²\nSubstituindo os valores na expressão (3), encontraremos o valor da constante que é a velocidade de uma onda electromagnética no vácuo:\nv = 1 / √(4π · 10^−7 H · 8,85 · 10^−12 C²/N·m²) = 2,988 · 10^8 m/s\nRelacionando (2) e (3) temos:\nv = c · √(εr) \nA razão c é chamada-se índice de refração do meio e designa-se por:\nv = c / √(εr) (4)\nDe (4) conclui-se que a velocidade de propagação das ondas electromagnéticas é maior no vácuo do que em um meio material. Quer dizer, num meio material a velocidade de uma onda depende do índice de refração do meio por onde ela se propaga.\n\n1.5.1 Espectro das ondas electromagnéticas\nVisto que a velocidade das ondas electromagnéticas no vácuo é constante e que ela se relaciona com o comprimento de onda e com a frequência por c = λ · f, podemos ordenar ou dispor diversos grupos de ondas electromagnéticas em função da frequência ou do comprimento de onda ou da sua frequência. Figura 7: Espectro das ondas electromagnéticas.\nEspectro das ondas electromagnéticas é o conjunto das ondas electromagnéticas disposto em função do seu comprimento de onda ou da sua frequência.\n\n1.5.2 Espectro óptico\nA radiação luminosa ou, simplesmente, luz visível é constituída por ondas electromagnéticas. Ora, isso não significa que todas as ondas electromagnéticas são luminosas. Radiação luminosa é aquela que cria uma sensação de visão nos nossos olhos.\nEspectro óptico é uma parte do espectro electromagnético constituído pelo grupo das radiações visíveis em função do seu comprimento de onda ou da sua frequência.\n\nEspectro óptico (figura 8) localiza-se no intervalo entre 4 · 10⁴ Hz e 7,5 · 10⁴ Hz. Repare-se que cada frequência (ou comprimento de onda), no espectro óptico, corresponde a uma cor.\nIV Vermelho Laranja Amarela Verde Azul Anil Violeta UV\n3.8 4.8 5.0 5.2 6.1 6.6 7.9 · 10^14 Hz\n\nFigura 8: Espectro óptico das ondas electromagnéticas.\nEm 1666, o cientista inglês Isaac Newton estabeleceu que a luz branca era constituída pelas sete cores do arco-íris em ordem decrescente do seu comprimento de onda desde a cor vermelha à cor violeta. A sobreposição de todas as cores do espectro óptico resulta na cor branca - fenômeno que é conhecido por síntese da luz. O arco-íris resulta devido à dispersão da luz branca (figura 9).\nDado que as cores do espectro óptico podem ser obtidas pela dispersão da luz branca, a cor dos objetos depende da luz que sobre eles incidir. Assim, por exemplo, se sobre um corpo azul incide a luz branca significa que este reflete a luz azul (dai conseguirmos ver a sua cor) e absorve as restantes cores provenientes da luz branca. Já um corpo preto absorve todas as radições que sobre si incide. É por isso que no Verbo é aconselhável usar roupa clara uma vez que esta reflete melhor a radiação visível.\n\nPor se encontrar muito afastado de uma certa região da Terra, o Sol, ao amanhecer e ao entardecer, parece estar meio avermelhado ou alaranjado, porque as cores laranja e vermelha tem um maior valor de comprimento de onda, o que lhes confere maior poder de atravessar os corpos do que as outras cores (figura 10).\n\nDurante o dia o céu apresenta-se azul numa certa região da Terra porque o Sol está mais próximo dessa região tendo em conta que a luz azul é uma das que apresentam menor comprimento de onda e, o céu azul pode se espalhar. Podemos concluir, então, que se fizermos lidar num corpo uma luz da mesma cor que se apresenta, ele se torna escuro. Assim, a cor não é a característica dos corpos, mas depende da luz que sobre eles incide. .... Figura 12: Representação de um espectro de emissão contínuo.\n\nO espectro contínuo não é característico de algum elemento químico, mas, como mais adiante veremos, é característico da radiação do corpo negro, ou da radiação térmica...\n\nEspectro de linhas é o espectro constituído por um determinado número de linhas de diversas cores separadas nitidamente por zonas escuras (figura 13). Tais linhas, nitidamente separadas, correspondem cada uma a um determinado comprimento de onda. Num espectro de emissão temos cores coloridas sobre um fundo negro, ao contrário, o espectro de absorção surge com um fundo colorido com riscas negras. As riscas correspondem a uma determinada radiação que é absorvida ou emitida por um determinado elemento no processo de excitação e desexitação eletrónica. Quando sobrepomos os dois espectros do mesmo elemento, as riscas coincidem. Este tipo de espectro é produzido por gases monatómicos (por exemplo, o hidrogênio) ou vapores incandescentes (por exemplo, vapores de sódio).\n\n.... Figura 13: Representação de um espectro de linhas (riscas).\n\nEspectro de faixas é o espectro formado por um conjunto de faixas luminosas separadas por intervalos escuros. Este tipo de espectro é produzido por radiações luminosas emitidas por moléculas.\n\n.... Figura 14: Representação de um espectro de faixas (bandas).\n\n1.5.3 Análise espectral na indústria\n\nA análise espectral é um método usado para definir a composição química de uma substância através de seu espectro.\nO espectro está para a identificação de um dado elemento como as impressões digitais de uma pessoa. Foi graças à análise espectral que se ficou a conhecer a composição química do Sol e das estrelas e ainda a descoberta de certos elementos químicos como, por exemplo, o rubídio. Na Indústria metalúrgica, a análise espectral é empregue no controle da composição dos materiais para a construção de máquinas. Na indústria mineira é aplicada para determinar a composição química bem como a purezas dos minérios e dos minerais. A composição de misturas complexas é feita segundo os seus espectros moleculares.\n\n1.5.4 Propriedades e aplicações das ondas eletromagnéticas\n\nNo nosso dia-a-dia deparamo-nos com várias situações que se encontram associadas às ondas eletromagnéticas. Por exemplo, o sinal de rádio chega até a nossa através das ondas eletromagnéticas que se propagam no espaço. As propriedades das ondas eletromagnéticas permitem diversas aplicações no quotidiano.\n\n1.5.4.1 Propriedades das ondas eletromagnéticas\n\nAs ondas eletromagnéticas possuem as seguintes propriedades:\n• Reflexão - retorno da onda ao meio de proveniência. O metal reflete muito bem as ondas eletromagnéticas;\n• Interferência - fenômeno resultante da superposição de ondas provenientes de diferentes fontes;\n• Dispersão - variação da velocidade de uma onda em função do seu comprimento de onda ou da sua frequência;\n• Difração - é a propriedade que as ondas têm de contornar os obstáculos;\n• Polarização - é o fenômeno de alteração da onda eletromagnética quando se atravessam;\n• Provocam o aumento da temperatura dos corpos que atravessam;\n• São invasíveis, excepto a luz visível.\n\n1.5.4.2 Aplicações das ondas eletromagnéticas\n\nSabemos que as ondas eletromagnéticas são usadas na iluminação e visualização; é com base na radiação eletromagnética visível que conseguimos ver as cores e todas as maravilhas que o mundo nos oferece.\n\nAs ondas eletromagnéticas são usadas nas comunicações a longa distância; por exemplo, na telefonia móvel, na emissão do sinal de rádio ou de TV que chega até o nosso receptor, para a Internet, satélites, etc. Através dos radares é possível determinar a altura do voo de um. avião bem como a sua localização exata (para este fim, também se emprega na área militar para detectar a presença de um avião inimigo), permitindo fazer aterragens em condições de má visibilidade.\nA radiação eletromagnética na região de microndas é empregue no processamento de alimentos.\nA radiação do infravermelho é usada para a fotografi a e visualização no escuro; esta técnica é muito usada na área militar para identificar o inimigo a noite com o auxílio de binóculos que funcionam na região do infravermelho, é usada para a secagem de revestimentos de vermes, tintas, frutas, etc.\nPara fazer uma radiografia, na medicina, é usada a radiação eletromagnética na região dos raios X para identificar fracturas no organismo humano bem como para diagnosticar doenças.\nNa industria, os raios X também são usados para verificar imperfeições em peças. Nas investigações científicas usam-se os raios X para verificar a estrutura dos cristais, das ligacões orgânicas e das diferentes formas em que a matéria se organiza.\n... Figura 17: Acompanhamos as notícias através do nosso rádio porque a sua antena recebe ondas eletromagnéticas da estação emissora.\nPorque a radiação ultravioleta é ionizante, é usada como agente bactericida na medicina para destruir bactérias prejudiciais ao organismo humano. Quando as crianças se expõem ao Sol de forma moderada, aproveitam a radiação ultravioleta para o desenvolvimento do seu organismo (vitamina D). A radiação ultravioleta é também usada para aumentar o brilho e clarear os detergentes de lavar roupa.\nPara a melhoria de polímeros e fibras empregam-se os raios *. \nNa cosmologia e na astrofísica usam-se os raios cósmicos para fazer estudos.\n... Figura 18: Na área militar, para detectar a presença de um avião inimigo, usam-se radares.\n... Figura 19: Uma exposição moderada ao sol ajuda no desenvolvimento do organismo.